(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要具有良好的順應(yīng)性，以避免對(duì)FPSO產(chǎn)生過(guò)大的力，又要具有足夠的剛度，以避免過(guò)大的偏移造成立管損壞。從作業(yè)模式與設(shè)計(jì)環(huán)境條件、單點(diǎn)和多點(diǎn)系泊、系泊線布置、系泊線組成、轉(zhuǎn)塔位置的影響、計(jì)算狀態(tài)和方法等方面說(shuō)明系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的因素。

1 作業(yè)模式與設(shè)計(jì)環(huán)境條件

1.1 作業(yè)模式

作業(yè)模式主要有兩種：解脫、拖走避風(fēng)和不解脫，停產(chǎn)/堅(jiān)持生產(chǎn)。作業(yè)模式的確定需要考慮極端海況條件。

1.1.1 極端海況條件

世界海域有2種極端海況條件[1]。

1)冬季風(fēng)暴。冬季風(fēng)暴發(fā)生在英國(guó)北海、挪威海和加拿大東部海域，通常作用的時(shí)間長(zhǎng)、波及的區(qū)域廣。但是，風(fēng)速很少超過(guò)44.76 m/s，比較穩(wěn)定，并可以預(yù)測(cè)。冬季風(fēng)暴的設(shè)計(jì)波高大于熱帶氣旋，因?yàn)樗饔玫臅r(shí)間比“快速移動(dòng)”的熱帶氣旋長(zhǎng)得多。不適合采用油田停產(chǎn)、FPSO解脫、人員撤離的作業(yè)模式。

2)熱帶氣旋(颶風(fēng)或臺(tái)風(fēng))。熱帶氣旋與冬季風(fēng)暴截然不同，它能夠很快從1級(jí)(38.07 m/s左右)上升到5級(jí)(79.73 m/s左右)，具有高度不確定性。由于熱帶氣旋的高度不確定性，要求系泊系統(tǒng)有較大的設(shè)計(jì)裕度，以防止超過(guò)100年一遇的海況時(shí)發(fā)生損壞。

1.1.2 解脫、拖走避風(fēng)作業(yè)模式

當(dāng)風(fēng)暴來(lái)臨時(shí)，F(xiàn)PSO停止作業(yè)、關(guān)井、與系泊系統(tǒng)解脫、拖走避風(fēng)。風(fēng)暴過(guò)后再回接、復(fù)產(chǎn)。因?yàn)槎鄶?shù)時(shí)間環(huán)境條件良好或適中，所以這種作業(yè)模式安全、經(jīng)濟(jì)，尤其適用于二手油船改裝的FPSO。南中國(guó)海和墨西哥灣的部分FPSO采取此種作業(yè)模式。

1.1.3 不解脫，停產(chǎn)/堅(jiān)持生產(chǎn)作業(yè)模式

臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，停產(chǎn)、人員撤離。FPSO和系泊系統(tǒng)風(fēng)暴自存，臺(tái)風(fēng)過(guò)后復(fù)產(chǎn)。南中國(guó)海新設(shè)計(jì)建造的FPSO大都采取這種作業(yè)模式。

盡管北海冬季風(fēng)暴的作用時(shí)間長(zhǎng)，但是比較穩(wěn)定而且可以預(yù)測(cè)。即使達(dá)到甚至超過(guò)墨西哥灣颶風(fēng)的量級(jí)，也不關(guān)井，堅(jiān)持生產(chǎn)作業(yè)。

1.2 設(shè)計(jì)環(huán)境條件

DNV OS E-301規(guī)范中給出了世界典型設(shè)計(jì)環(huán)境條件，臺(tái)風(fēng)期間不解脫的永久性系泊，至少按100年重現(xiàn)期的海洋環(huán)境條件設(shè)計(jì)，其中包括浮體穩(wěn)性、耐波性、總縱強(qiáng)度等均須滿足船級(jí)社規(guī)范要求，設(shè)計(jì)要求比對(duì)常規(guī)運(yùn)輸油輪的設(shè)計(jì)要求高得多。解脫的移動(dòng)式系泊根據(jù)需要的環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)條件相對(duì)較低。

2 單點(diǎn)與多點(diǎn)系泊

系泊系統(tǒng)可以分為兩大類，即單點(diǎn)和多點(diǎn)。 以往大多數(shù)系泊系統(tǒng)都屬于“被動(dòng)”系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)有很多動(dòng)力定位系統(tǒng)(DP)和系泊系統(tǒng)一起應(yīng)用的案例。

2.1 單點(diǎn)

通常，F(xiàn)PSO是船形的，有較大的長(zhǎng)寬比，對(duì)外力的方向很敏感，因而需要設(shè)計(jì)成具有風(fēng)向標(biāo)功能，使其能夠隨著風(fēng)浪方向作360°全方位回轉(zhuǎn)，始終處于迎風(fēng)浪狀態(tài)，從而大幅度減小風(fēng)、浪、流引起的環(huán)境載荷和運(yùn)動(dòng)幅度。但是，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)需要多個(gè)構(gòu)造復(fù)雜、價(jià)格昂貴的機(jī)械部件，諸如大軸承、旋轉(zhuǎn)接頭等。對(duì)于在環(huán)境條件惡劣海域作業(yè)的船形FPSO，宜選用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

2.2 多點(diǎn)

多根系泊線在多個(gè)不同位置的點(diǎn)與船體連接，使得船體不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，波向角基本保持不變。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，初始投資和維護(hù)費(fèi)用低。如果用在海況惡劣的海域，環(huán)境力可能引起很大的船體位移和系泊載荷。多點(diǎn)系泊適用于對(duì)環(huán)境力的方向不太敏感或長(zhǎng)寬比接近的FPSO，多用于半潛平臺(tái)，在環(huán)境條件溫和的海域，例如,西非、東南亞和巴西，船形FPSO也可以采用多點(diǎn)系泊。

3 系泊線布置

系泊系統(tǒng)最重要的組成部分是系泊線，可以通過(guò)系泊線的布置和型式選擇，來(lái)獲得優(yōu)良的系泊特性。

3.1 系泊線布置方式

3.1.1 均布模式

一般由12根系泊線組成，按均布模式排列，系泊線之間的角度為30°。這種布置方式在“海上移動(dòng)式鉆井裝置”(MODU)的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)中很常見(jiàn)。在有多根生產(chǎn)立管(和電纜)的情況下，布置可能發(fā)生沖突。

3.1.2 分組不對(duì)稱模式

一般由12根系泊線組成，分3組，每組4根系泊線，系泊線之間的角度通常為5°。在這種布置模式中，F(xiàn)PSO有兩個(gè)極端方位，即“in line”——船體中心線與一組受拉系泊線同線和“in between line”——船體中心線處于兩組受拉系泊線中間。分組布置模式具有下述優(yōu)點(diǎn)：

1)安全度提高了。與均布模式比較，在1根系泊線破斷的不利情況下，分組模式最大系泊線張力比均布模式約低20%，最大位移減少5%。

2)便于立管布置。組與組之間有較大的空間，可以布置數(shù)量眾多的立管。

3.2 設(shè)計(jì)考慮因素

雖然在設(shè)計(jì)上系泊線對(duì)稱布置最簡(jiǎn)單，但性能不是最好的，設(shè)計(jì)考慮因素如下。

1)環(huán)境力的方向性：特別是當(dāng)風(fēng)暴經(jīng)常從某個(gè)特定的方向來(lái)襲時(shí)，采用不對(duì)稱布置的系泊線來(lái)抗衡這些環(huán)境力，可能更為合理。

2)水下空間布置：海底設(shè)備和海底管線可能會(huì)影響系泊線和錨的布置。

3)立管系統(tǒng)：立管是系泊線布置的限制條件，必須避免立管與系泊線系統(tǒng)發(fā)生矛盾。

4)轉(zhuǎn)塔區(qū)域的空間限制：為了獲得更多的空間，系泊線分組可能更好。

4 系泊線組成

4.1 全錨鏈

錨鏈在多年海洋工程實(shí)踐中表現(xiàn)出良好的耐久性、抗磨損能力和防止錨上拔能力。通常，用在與船或平臺(tái)的連接部位，以及與錨連接的部位。

對(duì)于深水系泊，全錨鏈系統(tǒng)的重量過(guò)大，而使船舶的載重量大幅度降低，系泊系統(tǒng)的剛度、恢復(fù)力也大幅度降低，并要求很高的初始預(yù)張力。因此，深水系泊不采用全錨鏈系統(tǒng)。

錨鏈分為有檔鏈(stud)的和無(wú)檔鏈(studless)兩種。有檔鏈具有堅(jiān)固、可靠、易于裝卸的特點(diǎn)，常用在相對(duì)較淺的水域。但是，橫檔可能導(dǎo)致局部疲勞，如失去一個(gè)橫檔將會(huì)在連接處產(chǎn)生較高的彎曲力矩。因此，永久性系泊系統(tǒng)更傾向于采用無(wú)檔鏈。

在水深小于100 m時(shí)，可以考慮采用全錨鏈的系泊線。

4.2 全鋼纜

在等強(qiáng)度條件下，鋼纜單位長(zhǎng)度的重量?jī)H為錨鏈的1/3～1/5。在同樣預(yù)張力的情況下，能夠提供較大的恢復(fù)力。隨著水深增大，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)顯得尤為重要。但是，其抗摩擦能力遠(yuǎn)不如錨鏈。因而，永久性系泊系統(tǒng)很少采用全鋼纜系統(tǒng)。

4.3 組合式

系泊線由錨鏈、鋼纜或合成纖維纜組合而成。在錨鏈-鋼纜組合中，錨鏈與錨連接，這樣做有利于防止系泊線與海底的磨損，以及防止錨上拔。通過(guò)錨鏈和鋼纜的恰當(dāng)搭配來(lái)達(dá)到：減小對(duì)預(yù)張力的要求；產(chǎn)生大的恢復(fù)力；提高錨的抓持力；增大抗海底磨損的能力。

組合系泊線已成為深水系泊的優(yōu)選方案。在超深水(水深>1 500 m)海域，傳統(tǒng)的錨鏈-鋼纜組合也顯得太重，并且系統(tǒng)的剛度低、海底占地面積大，因而不再受歡迎。 “張緊的纖維纜系泊系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生，ABS于1999年制訂了相應(yīng)的指南。

5 轉(zhuǎn)塔位置的影響

轉(zhuǎn)塔在船上的位置，對(duì)設(shè)計(jì)的影響很大。以南中國(guó)海和北海的FPSO為例，說(shuō)明轉(zhuǎn)塔位置選擇時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題。

5.1 轉(zhuǎn)塔位置差異

1)南海西江油田。南海西江油田的FPSO(海洋石油115)，轉(zhuǎn)塔距船艏20.4 m，不足船長(zhǎng)的1/10，F(xiàn)PSO具有良好的風(fēng)向標(biāo)功能。該FPSO臺(tái)風(fēng)期間不解脫，人員撤離，無(wú)動(dòng)力定位系統(tǒng)。

2)北海油田。轉(zhuǎn)塔布置在距艏1/3船長(zhǎng)處，F(xiàn)PSO的風(fēng)向標(biāo)功能幾乎喪失殆盡，而不得不依靠DP協(xié)助轉(zhuǎn)向[2]，導(dǎo)致增加設(shè)備、增加初投資、增加動(dòng)力消耗和管理環(huán)節(jié)。但是，實(shí)踐結(jié)果表明，系泊線張力大幅度減小，安全系數(shù)可提高15%～18%。對(duì)于北海特殊的(長(zhǎng)時(shí)間)冬季風(fēng)暴條件，F(xiàn)PSO不解脫，常年堅(jiān)持生產(chǎn)，這種選擇是合理的。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，這種轉(zhuǎn)塔布置不適用于臺(tái)風(fēng)期間關(guān)井、停產(chǎn)、人員撤離的管理模式，因?yàn)閷脮r(shí)DP沒(méi)有了動(dòng)力來(lái)源。

5.2 設(shè)計(jì)考慮

在選擇轉(zhuǎn)塔位置時(shí)，應(yīng)綜合考慮以下因素。

1)當(dāng)為船型FPSO設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)時(shí)，除了考慮風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)外，還應(yīng)考慮對(duì)立管使用壽命和系泊線張力的影響。轉(zhuǎn)塔距船中越遠(yuǎn)，風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)越好，即使在與風(fēng)、浪、流不同向情況下，也很容易轉(zhuǎn)到環(huán)境力最小的方位上。轉(zhuǎn)塔距船中越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)塔處的垂向運(yùn)動(dòng)幅度越大。船上各部位的縱搖(pitch)運(yùn)動(dòng)幅度與距船中的距離成正比。這將給立管和系泊系統(tǒng)帶來(lái)十分不利的影響。轉(zhuǎn)塔在船上的相對(duì)位置，是立管和系泊線設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)之一。

2)深海和超深海的FPSO，立管系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)的工程投資與船體(包括結(jié)構(gòu)、機(jī)、電設(shè)備)相當(dāng)。減小立管、系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、受力，延長(zhǎng)其使用壽命，顯得十分重要。

3)完全風(fēng)向標(biāo)功能的FPSO比用DP協(xié)助調(diào)整方位的FPSO，具有明顯的投資省，運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)。

6 計(jì)算分析狀態(tài)和方法

6.1 分析狀態(tài)

系泊系統(tǒng)一般分析下述3種狀態(tài)：

1)完好狀態(tài)。所有構(gòu)件完好無(wú)損。

2)破損狀態(tài)。1根系泊線破損或失效。

3)瞬時(shí)狀態(tài)。1根系泊線破損，F(xiàn)PSO到達(dá)新的平衡狀態(tài)之前。

6.2 分析方法

研究分析系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力涉及的主要理論有船舶流體靜力、流體動(dòng)力、波浪理論。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多個(gè)計(jì)算機(jī)軟件，船級(jí)社對(duì)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和入級(jí)也有專門(mén)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。單點(diǎn)或多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析方法越來(lái)越趨于成熟。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力的計(jì)算分析方法主要有準(zhǔn)靜力法和準(zhǔn)動(dòng)力法兩種。至于全動(dòng)力法，尚處在發(fā)展階段。

6.2.1 準(zhǔn)靜力法

由于準(zhǔn)靜力法簡(jiǎn)單易行而廣泛地應(yīng)用于淺水、移動(dòng)式系泊系統(tǒng)，如原油進(jìn)出口終端、鉆井平臺(tái)、鋪管船等。渤海灣“友誼”和“明珠”FPSO，茂名原油進(jìn)口終端(CALM)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用的就是準(zhǔn)靜力法。對(duì)于深水、永久性系泊系統(tǒng)，這種方法僅用于初步設(shè)計(jì)階段，不推薦用于最終設(shè)計(jì)階段。特點(diǎn)如下。

1)準(zhǔn)靜力分析通常針對(duì)線性問(wèn)題，在運(yùn)動(dòng)方程里使用了線性化了的系統(tǒng)剛度，即將載荷—位移靜特性曲線平均位移處的剛度(切線的斜率)作為系泊系統(tǒng)的剛度。

2)波浪的動(dòng)載荷，通過(guò)確定的船舶靜位移予以考慮。

3)風(fēng)力、流力和定常波浪漂移力按靜力考慮，使船舶產(chǎn)生平均位移。將波頻一階和低頻二階波浪力產(chǎn)生的動(dòng)位移，合理地模擬成靜位移，與平均位移疊加，形成總位移。

4)不考慮流體作用于系泊線上的載荷。

5)僅考慮船上系纜點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)，忽略系纜點(diǎn)的垂向運(yùn)動(dòng)。

在準(zhǔn)靜力分析中，同向環(huán)境條件的假設(shè)是偏于保守的；考慮不確定因素，采用較大的安全系數(shù)；沒(méi)有體現(xiàn)某些重要的動(dòng)力特性。

6.2.2 準(zhǔn)動(dòng)力法

隨著水深的增加，系泊線的質(zhì)量、阻尼和流體加速度隨時(shí)間變化的影響顯得越來(lái)越重要，必須在設(shè)計(jì)中予以考慮。南中國(guó)海的FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，多數(shù)采用準(zhǔn)動(dòng)力法。準(zhǔn)動(dòng)力分析比準(zhǔn)靜力分析要復(fù)雜得多，特點(diǎn)如下。

1)準(zhǔn)動(dòng)力分析通常針對(duì)非線性問(wèn)題，在運(yùn)動(dòng)方程里分別使用每個(gè)水平偏移量所對(duì)應(yīng)的系泊系統(tǒng)剛度。

2)通常采用時(shí)域分析。可以模擬波頻和低頻船舶受力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，而將風(fēng)力和流力模擬成定常力，不考慮系泊線本身的動(dòng)力特性。

3)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行時(shí)域積分。計(jì)算分析中考慮了與浮體有關(guān)的附加質(zhì)量和阻尼的影響。

4)考慮流體作用于系泊線上的載荷。

5)考慮船上系纜點(diǎn)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。通常在系泊纜平面內(nèi)，考慮系纜點(diǎn)的垂向和水平向2個(gè)運(yùn)動(dòng)就足夠了。

目前，有多種動(dòng)力分析方法，他們之間的區(qū)別在于處理非線性的程度。

6.2.3 全動(dòng)力法

對(duì)于深水和惡劣環(huán)境條件下的系泊系統(tǒng)，系泊線和船體之間的相互作用是不容忽視的，系泊線和流體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的流體動(dòng)力阻尼效應(yīng)對(duì)船體的運(yùn)動(dòng)和受力以及系泊線載荷的影響同樣是不容忽視的。因此，需要采用船體與系泊系統(tǒng)耦合的分析方法來(lái)綜合考慮上述影響。在這種情況下，系泊線動(dòng)力特性對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響包含在時(shí)域解內(nèi)，將系泊線劃分為許多個(gè)“桿單元”來(lái)求解系泊線與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，考慮質(zhì)量、阻尼和剛度的影響。

全動(dòng)力分析還不很完善，在系泊線阻尼取值問(wèn)題上尚存在分歧，處在發(fā)展階段。

6.3 建議的分析方法和狀態(tài)

表1 建議的分析方法和狀態(tài)

7 結(jié)論

FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先需要根據(jù)油田開(kāi)發(fā)計(jì)劃、作業(yè)環(huán)境條件等，明確作業(yè)模式；進(jìn)而確定設(shè)計(jì)環(huán)境條件，設(shè)計(jì)環(huán)境條件是系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；根據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)境條件和作業(yè)區(qū)域特點(diǎn)(水深、允許偏移量等)，確定單點(diǎn)和多點(diǎn)系泊的選擇、系泊線布置和組成、轉(zhuǎn)塔位置等；確定環(huán)境載荷，船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力，是計(jì)算分析的首要任務(wù)，永久性系泊建議采用準(zhǔn)動(dòng)力法，移動(dòng)式系泊建議采用準(zhǔn)靜力法。

[1] 金曉劍.FPSO最佳實(shí)踐與推薦做法[J].中國(guó)石油大學(xué)出版社,2012.

[2] 譚家翔.海上油氣浮式生產(chǎn)裝置[J].石油工業(yè)出版社,2014.